DE3031678A1 - Verfahren zur messung von thermischen zustandsgroessen von fluiden - Google Patents

Verfahren zur messung von thermischen zustandsgroessen von fluiden

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DE3031678A1 DE19803031678 DE3031678A DE3031678A1 DE 3031678 A1 DE3031678 A1 DE 3031678A1 DE 19803031678 DE19803031678 DE 19803031678 DE 3031678 A DE3031678 A DE 3031678A DE 3031678 A1 DE3031678 A1 DE 3031678A1
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Description

gü/si
M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÖRNBERG Aktiengesellschaft
München, den 19. August 1980 10
Verfahren zur Messung von thermischen Zustandsgrößen von Fluiden
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von thermischen Zustandsgrößen von Fluiden.
Unter thermische Zustandsgrößen sind die von der Wärmeenergie des Fluids abhängenden Zustandsgrößen zu ver stehen, wie z.B. die Temperatur, die Enthalpie.
Zur Messung von derartigen Größen dienen im allgemeinen aus Dehnelementen oder Dehnstoffen bestehende Meßsonden, wie Temperaturmessfühler, die mit dem zu messenden Gegenstand oder Medium in Kontakt gebracht werden. Für Messungen mit höherer Genauigkeit werden an einem elektrischen Stromkreis angeschlossene Dehnmeßstreifen verwendet, bei denen der durch den Fühler fließende Strom als eine von der Temperatur abhängigen Größe gemessen und ausgewertet wird. Derartige Messfühler eignen sich aber nicht allgemein für Messungen in Medien mit hohen Temperaturen. In solchen Fällen würde eine entsprechend hohe Temperatur über die Anschlüsse des Messfühlers auf das Messwerk geleitet werden, was insbesondere bei elektronischen Messwerken zur raschen
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Messwerken zur raschen Zerstörung deren Bauelemente führen kann. Um eine Erwärmung des Messwerks zu vermeiden müßen Maßnahmen getroffen werden, die für eine Ableitung der Wärmeenergie aus den Messfühlerzuführungen sorgen, wodurch ein fertigungstechnischer Mehraufwand erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem in einfacher Weise Messungen von thermischen Zustandsgrößen mit hoher Genauigkeit und auch in hohen Temperaturbereichen durchgeführt werden können.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schallimpuls mittels eines Schal 1 senders durch das Fluid geschickt und nach einer vorbestimmten Laufstrecke von einem Schallempfänger aufgenommen wird, und daß die
Laufzeit des Impulses zwischen dem Schallsender und dem 20
Empfänger gemessen und zur Bestimmung der erwünschten Zustandsgröße ausgewertet wird, wobei gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung die Temperatur des Fluids errechnet wird.
Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle in einem flüssigen oder gasförmigen Medium bei annähernd konstantem Druck sich mit der Fluidtemperatur ändert. Für Flüssigkeiten
μ läßt sich die Abhängigkeit zwischen Schallgeschwindigkeit und der Flüssigkeitstemperatur experimentel ermitteln. Im Falle von Gasen wird die Funktion von der allgemeinen
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Formel der Ausschreitungsgeschwindigkeit c des Schalles
(1)
und unter Anwendung der in weiten Grenzen für Gase gültigen Formel für die Dichte
abgeleitet:
C =
(2)
TS f 273 KPfn
Dabei ist T die Gastemperatur gemessen in Grad Kelvin, K die adiabetische Kompressibilität und P der Gasdruck. Der Index η steht für Normal bedingungen : 273eK und Ib.
Durch Messung der Laufzeit des Schallimpulses einer vorbestimmten Laufstrecke erhält man dann über die damit berechnete Schallgeschwindigkeit und an Hand der für das entsprechende Fluid erstellten Eichkurve bzw. der entsprechenden Funktion c = f (T) den Wert der Fluidtemperatur.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren zur Messung der Enthalpieänderungen eines Gases angewandt, dem Wärme zu- oder abgeführt wird. Hierzu werden in Intervallen Schall impulse durch das Gas gesandt und die Laufzeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen gemessen. Das Messergebnis wird dann zur Berechnung der Änderung der quadrierten Schallgeschwindigkeit eingesetzt.
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Mit der Änderung der quadrierten Schallgeschwindigkeit Ac erhält man direkt einen der entsprechenden
Enthaipieänderung
A H = ilk
(3)
proportionalen Wert.
Das ergibt sich unter Anwendung der obigen Formel (2) in Verbindung mit der folgenden Gleichung für die adiabatische Kompressibilität:
Ή K - -L. ll- (4)
P CP
Durch Einsetzen der Formel (4) in (2) und Quadrieren erhält man
2 P
c η Cn T
273 cv
Hieraus ergibt sich unter Beachtung der Gleichung (3)
is ^r2
Ac2 =_Ld \ c dT ~ ΔΗ (5)
27lsi") p
wobei c und c die spezifische Wärme des Gases bei konstantem Volumen bzw. Druck ist.
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Bei Gasturbinen wird ein Teil der bei der Erhitzung
des Gases gewonnenen Enthalpiezunahme in mechanische Arbeit umgesetzt. In solchen Fällen, zum Beispiel, c muß die Enthalpieänderung herangezogen werden, um den Wirkungsgrad des Wärmetauschers für die Gaserhitzung bzw. den Gesamtwirkungsgrad des Systemes zu beurteilen. Für diese und ähnliche Systeme stellt die Erfindung ein ausgezeichnetes Verfahren zur mittelbaren Berechnung
IQ deren Wirkungsgrade dar. Mit einfachen Mitteln, nämlich einem Schal 1sender/Empfangerpaar und einen daran angeschlossenen Messkreis lassen sich rasch genaue Werte von Enthalpieänderungen und bei elektronischer Weiterberechnung auch Wirkungsgrade von energieumsetzenden Systemen erfassen und aufzeichnen. Messtechnisch werden bei dem erfinduhgsgemäßen Verfahren nur Zeitmessungen vorgenommen. Derartige Messungen lassen sich mit dem derzeitigen Entwicklungsstand der Elektronik mit sehr hoher Genauigkeit durchführen, woraus dann mit entsprechender Präzision die Temperatur, die Enthalpieänderungen oder beide Zustandsgrößen gleichzeitig errechnet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gleichzeitig die in den üblichen Messmethoden angewandte Messsonde durch eine Schallwelle ersetzt. Damit entfällt die Notwendigkeit Messeinrichti/ngsbauteile, wie z.B. eine Meßsonde direkt an der Meßstelle anhängen und damit der direkten Wärme aussetzen zu müssen. Dieses wirkt sich insbesondere bei hohen Fluidtemperaturen besonders vorteilhaft aus.
Etwaige temperaturempfindliche Bauelemente der. Messeinrichtung, . wie der Schallgeber und der Empfänger können nämlich ohne weiteres an kühle Stellen
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bzw. in Ausgleichsleitungen angebracht werden. Um der Lagebestimmung einen zusätzlichen Freiheitsgrad zu verschaffen, ist es vorteilhaft, wenn Schallgeber und Empfänger nebeneinander angeordnet oder als eine Baueinheit verwendet werden, und daß der Schall impuls an einem oder mehreren im Fluid angeordneten Schallreflektoren umgeleitet wird. Bei hohen und/oder Örtlich sich ändernden Fluidtemperaturen wird zur Erfassung der Zustandsgröße einer bestimmten Fluidzone die Laufzeit der Schallwelle zwischen zwei in dieser Zone angeordneten Reflektoren gemessen.
Die Messung der Temperatur von strömenden Medien ist mit den herkömmlichen Meßsonden verhältnismäßig problematisch, weil für möglichst unverfälschte Messungen dafür Sorge getragen werden muß, daß die Meßsonde in einer möglichst strömungsfreien Umgebung
™ liegt. Dieses Problem entfällt ebenfalls bei der erfindungsgemäßen Methode, indem die Eichkurve für die bestimmte Strömung-im Falle von flüssigen Medien — erstellt wird und bei Gasen die Korrektur der Schallgeschwindigkeit gemäß der folgenden Formel beachtet
wi rd:
2 c = C0 ( 1 - i (* - V W
Hierbei ist c die Schallgeschwindigkeit im stehenden Gas, w die Gasgeschwindigkeit und \C = cp/c .
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-ΙΟΙ
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß keine Zeitverzögerung etwa durch einen Wärmeleitvorgang den Messvorgang beeinträchtigt, wie es bei den üblichen Dehnmessfühlern der Fall ist. Das Verfahren eignet sich daher besonders gut zur raschen Erfassung von zeitlichen Zustandsänderungen des Fluids.
Auch zur Messung einer Zustandsgrößen-Verteilung innerhalb des Fluids läßt sich die erfindungsgemäße Methode ohne nennenswerten Zusatzaufwand anwenden, indem an den verschiedenen zu messenden Stellen des Fluids Schallref1ektoren angeordnet werden und die Lauf zeit der Schallwelle zwischen benachbarten Reflektoren gemessen und ausgewertet werden.
Derartige Messungen werden beispielsweise für unregelmäßig beheizte Wärmetauscher durchgeführt, wie z.B.
sonnenbestrahlte Wärmetauscher von Solarkollektoren. Für derartige Fälle kann der Schallsender und der Empfänger im Kaltzustand des Wärmetauschers angebracht werden, während der Wärmetauscher mit in definierten Abständen und versetzt angeordneten Reflek- toren bestückt wird. Die Anwendung dieser Methode hat den Vorteil , daß der Wärmetauscher nicht durch Druckbrüche und damit verbundene Schweißstellen, wie sie zur Durchführung von Messfühlern erforderlich sind, beeinträchtigt wird. Außerdem ist bei dem erfindungs gemäßen Verfahren im Gegensatz zu den herkömmlichen Messmehtoden nur ein Messkreis erforderlich. Als
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• - - - ■ " · 2C31G78
Refiektoren können kleine schall reflektierende Blättchen z.B. aus Metall verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit als ein fertigungstechnisch und messtechnisch einfaches Verfahren aus, mit dem präzise und rasche Messungen auch von zeitlich und/oder örtlich sich ändernden Fluid-Temperaturen bzw. Gas-Enthalpieänderungen durchgeführt werden können. Bei zeitlich sich ändernden Zustandsgrößen werden vom Schallsender in definierten Zeitabständen Impulse abgegeben, wobei der Zeitabstand zwischen zwei nacheinander folgenden Impulsen größer ist, als die für den gegebenen Fall größte Laufzeit einer Schallwelle zwischen Sender und Empfänger.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin gesehen werden, daß mit nur einem Schal 1- __ sender/Empfängerpaar, bzw. einer Messeinrichtung gleichzeitig die Temperatur, zeitliche sowie örtliche Änderungen der Temperatur und Enthalpie an mehreren Stellen eines Gasvolumens gemessen werden können, und zwar auch in zeitlich relativ geringen Abständen.
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens bestehend aus einem an den Fluidbehälter anbringbaren und mit einem Impulsgeber verbundenen Schallsender und einem ebenfalls 3Q am Fluidbehälter anbringbaren Schallempfänger, an dem eine Impuls- und eine Meßdaten- Auswertungseinheit angeschlossen ist.
Vorzugsweise wird ein piezoelektrischer Schall sender verendet, der als ein Bauelement gleichzeitig die
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ORIGiNAL INSPECTED
Funktion des Senders und des Empfängers ausübt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 2 und 3 je ein Diagramm über die Schall -
ausbrei tu ngsgeschwindigkeit
'° Fig. 4 ein Impulsdiagramm und
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel»
In Fig. 1 ist ein Behälter 10 für ein Fluid mit einer ■je Ausgleichsleitung 11 gezeigt, an deren freies Ende ein Schallsender 12 und ein Schallempfänger 13 angeordnet sind.
Von einem herkömmlichen Impulsgeber 14 und einem ebenfalls in der Elektrotechnik üblichen Oszillators erhält der Sender 12 einen elektrischen Impuls (Fig. 4) den er in einen sich im Fluid 21 mit einer Geschwindigkeit c ausbreitenden Schallimpuls umwandelt.
Im Fall von Messungen in Luft sind besonders Ultraschall impul se mit einer Frequenz von etwa 30 KHz und einer Impulslänge von etwa 10 .s gut geeignet. In diesem Medium beträgt nämlich die LaufzeitÄt/d der Schallwelle bei Temperaturen oberhalb 30O0C etwa 3 - 4 · 10"3 s/m.
Im Fluid sind zwei Schallreflektoren 22 und 23 in
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-πι
definierten Abständen d, bzw. dg vom Sender/Empfänger 12, 13 angebracht. Der vom Schallsender 12 gesandte Impuls wird nacheinander an den Reflektoren 22 bzw. 23 umgelenkt und als Impulsfolge 25 (Fig. 4) vom Empfänger 13 aufgenommen und mittels einer üblichen Impulsauswertungseinheit 26 registriert und ausgewertet. Die Auswertung besteht in der Erfassung der Laufzeit t einer Schallwelle zwischen Sender 12 und Empfänger 13 bzw. in der Berechnung der Laufzeitdifferenz At zwischen zwei aufeinderfolgenden Impulsen. Die Laufzeitdifferenz At stellt alsodie Laufzeit dar, die die Schallwelle für eine Laufstrecke Δ d= ·2(% ~ h-v) zwischen zwei benachbarten ις Reflektoren braucht.
Für die Impulsauswertung ist es vorteilhaft, wenn ein auf dem Gebiet der Elektronik bekannter Transientenspeicher 26 verwendet wird. Mit diesem Element lassen
2Q sich nämlich sehr kleine Zeitspannen messen und gleichzeitig speichern. Die gespeicherten Daten können dann ohne Zeitdruck beliebig abgerufen und ausgewertet werden. Mit einem zwischen Empfänger 13 und Transientspeicher 26 zwischengeschalteten Frequenzfilter 27 (üblicher Bauart) werden Störsignale unterdrückt.
Die im Transientenspeicher 26 gespeicherten Zeitdaten können bei Bedarf mittels eines Oszillographen 28 optisch dargestellt werden. Im übrigen werden diese Daten in einer üblichen Meßdatenauswertungseinheit 29 für den Einzelfall entsprechend ausgewertet. Das Ergebnis wird schließlich über eine Registriere.inheit 30 aufgezeichnet.
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-14-
Die Auswertung der Messdaten erfolgt folgendermaßen; Aus den gemessenen Werten der Laufzeit t bzw. der Laufzeitdifferenzen Δι wird die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit
c = 2d bzw. t
der Schallwelle zwischen Sender 12 und Empfänger bzw. zwischen zwei benachbarten Reflektoren 22, 23 errechnet. Bei stark strömenden Gasen wird unter Anwendung der Korrekturformel (6) aus dem experimentellen Wert c die entsprechende Schallgeschwindigkeit
'^ c für den ruhenden Zustand errechnet.
Mit der errechneten Schall geschwindigkeit c wird je nach Bedarf entweder über eine in Fig. 2 gezeigte Eichkurve c = f(temp) bzw. bei Gasen über die Formel (2) die ζυ Temperatur oder über die Formel (5) die Enthalpieänderung A H errechnet. Diese Berechnungen werden mit der Meßdatenauswertungseinheit 29 unter Eingabe der entsprechenden in den obigen Formeln enthaltenden Daten
für das jeweils zu messende Fluid durchgeführt. 25
Soll beispielsweise die zeitliche thermische Zustandsänderung eines Fluids mit homogener Wärmeverteilung geringer Temperatur gemessen werden, dann kann der Schallsender 12 und der Empfänger 13 direkt, d.h. ohne einer Ausgleichsleitung 11, im Behälter 10 angeordnet werden. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn
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die Sender 12 und Empfänger 13 nicht, wie in der Zeichnung dargestellt, nebeneinander sondern sich gegenüberliegend angebracht sind, so daß c der vom Sender 12 emittierte Schall vom Empfänger ohne Reflexion direkt empfangen werden kann. Für die Erfassung der zeitlichen Zustandsgrößen bzw. -Änderungen werden vom Sender 12 in definierten Zeitabständen Schal 1impulse gesendet und deren
IQ Laufzeiten gemessen. Aus den Messwerten können die jeweiligen Geschwindigkeiten c errechnet und als Treppenkurve c(t), wie in Fig. 3 gezeigt, gezeichnet werden. Aus dem Verlauf c(t) ergibt sich unmittelbar der zeitliche Temperaturverlauf des Fluids, während über die Stufen der Kurve c(t) die Temperatur- bzw. Enthalpieänderungen errechnet werden können.
Sind die Fluidtemperaturen des vorstehenden Beispieles jedoch für den direkten Kontakt der Sender-Empfänger-Elemente zu hoch, dann werden diese Bauelemente entweder an eine bereits vorhandene kühle Stelle des Behälters 10 oder in einer eigens dafür vorzusehenden Ausgleichsleitung 11 angebracht. Da in diesem Fall die zu messende Schallwelle Zonen unterschiedlicher Temperaturen überqueren muß, sind hier zwei Reflektoren 22, 23 in der Zone des Fluids angebracht, für die die Messungen vorzunehmen sind. Mit der Messung der Laufzeitdifferenz At zwischen den beiden nacheinander reflektierten und empfangenen Signalen und dem Abstand d2 - d. zwischen den Reflektoren 22 und 23 wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit
S 2 (d? - di) At
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• : "-"·· - " ■ 3G31678
der Schallwelle innerhalb der für die Messung interessierenden Zone des Fluids errechnet.
Bei Wärmetauscherrohren oder ähnlichen Fällen,
in denen eine örtliche Wärmeverteilung vorhanden ist, werden mehrere Reflektoren in definierten Abständen innerhalb des Fluids verteilt.. Ein vom Sender 12 ausgehender Schallimpuls 20 wird dann eine Signalfolge 25*am Empfänger 12 auslösen, die jeweils ausgehend vom Zeitpunkt der Sendung an in Laufzeiten t- den Empfänger erreichen. Die Laufzeitdifferenzen Δt=ti - *ί-ι zwischen jeweils zwei nacheinander empfangenen Impulsen dienen dann zur Berechnung der Schallgeschwindigkeiten innerhalb der jeweiligen Zonen bzw. der Temperaturverteilung und/oder Enthalpieänderung entlang des Wärmetauscherrohres bzw. Fluidgefäßes. In diesem Fall ergibt die berechnete Geschwindigkeit eine von der Strecke d zwischen Sender und Reflektoren abhängige Größe, die ebenfalls als Treppenkurve c(d), wie in Fig. 3 gezeigt, dargestellt werden kann.
In diesem Fall sind ebenfalls Messungen für zeitliche Veränderungen der Zustandsgrößen möglich,indem in gleicher Weise wie im erstgenannten Beispiel Schallimpulse in zeitlichen Abständen emittiert,jeweils gemessen und entsprechend ausgewertet werden.
in Fig. 5 ist ein Wärmetauscher 35 mit mehreren Wärmetauscherrohren 36 gezeigt, die über ein Sammelrohr 37 mit einem Wärmeträger-Fluid versorgt werden, das im Verlauf der Rohre 36 aufgeheizt wird. Für jedes
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Rohr 36 ist in dem als Kaltzulauf dienenden Sammelrohr 37 ein piezoelektrischer Schal 1sender/Empfanger 38 bis 40 angebracht, die über die Zuleitung 41 mit einergemeinsamen Mess- und Auswerteeinheit verbunden sind. Die Rohre 36 sind mit Reflektoren 42 bestückt, die auf unterschiedlichen Entfernungen von der Ebene der Sender 38-40 im Fluid verteilt sind.
Auf gleichzeitig von allen Sendern 38-40 emittierten Impulsen 20 folgt eine Serie von Signalen 25*, die jeweils vom entsprechenden Empfänger 38-40 registriert werden. In diesem Fall stammen aufeinderfolgende Signale 25 nicht aus einem gemeinsamen Rohr 36 sondern aufgrund der gewählten Anordnung der Reflektoren 42 aus be- . nachbarten Rohren 36. Für die Auswertung der Messdaten ist daher die Laufzeitdifferenz zwischen den gemessenen Laufzeiten t. von Signalen aus einem Rohr 36 zu errechnen. So ergibt sich für das in Fig. 5 gezeigte
Beispiel unter Heranziehung des Impulsdiagramms aus
Fig. 4 für beispielsweise die linke Zone des oberen Rohres36ein A4. . f
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Claims (1)

  1. 3C31678
    gü/si
    M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesellschaft
    München, den 19. August 1980
    Patentansprüche
    Verfahren zur Messung von thermischen Zustandsgrößen von Fluiden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallimpuls (20) mittels eines Schal 1 senders (12) durch das Fluid geschickt und nach einer vorbestimmten Laufstrecke im Fluid von einem Schallempfänger (13) aufgenommen wird, und daß die Laufzeit des Impulses innerhalb einer definierten Laufstrecke gemessen und zur Bestimmung der erwünschten Zustandsgröße ausgewertet wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten zur Bestimmung der Temperatur des Fluids verwendet wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Meßdaten zur Bestimmung der· Enthalpieanderung eines Gases ausgewertet werden, dem Wärme zu- oder abgeführt wird.
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    ORIGINAL INSPECTED
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgeber (12) und der Empfänger (13) nebeneinander
    β angebracht sind, und daß der Schal 1impuls an einem im Fluid (21) angeordneten Schallreflektor (22)
    umgelenkt wird.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden An-
    IQ Sprüche dadurch gekennzeichnet, daß im Fluid in
    definierten Abständen Schal 1reflektoren (22, 23) angeordnet werden, und daß jeweils die Laufzeitdifferenzen zwischen den an benachbarten Reflektoren reflektierten Impulsen (25) gemessen und
    ]5 ausgewertet werden.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgeber (12) eine Schal 1impulsfolge sendet.
    7. Verfahren nach A 6, dadurch gekennzeichnet, daß
    jeweils die Laufzeiten (t) der einzelnen Impulse gemessen und ausgewertet werden.
    8. Verfahren nach A6, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Laufzeitdifferenzen ( t) zwischen aufeinander folgenden Impulsen (25) gemessen und ausgewertet werden.
    9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorliegenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen an den Fluidbehälter (10) anbring-
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    ORIGINAL INSPECTED
    baren und mit einem Impulsgeber (14) verbundenen Schallsender (12) und einem ebenfalls am Fluidbehälter anbringbaren Schallempfänger (13), an dem eine Impuls- und eine Meßdaten-Auswertungseinheit (26, 29) angeschlossen ist.
    10. Vorrichtung nach A9, dadurch gekennzeichnet, daß Schallsender (38 - 40) ein gleichzeitig als Empfänger dienender piezoelektrischer Schallsender ist.
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    20
    25
    30
    35
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    /2." ORJGINAL INSPECTED
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